Switch/Funktionen

Funktionen

Eigenschaften und Funktionen

Modularer Switch mit 38 Ports von Cabletron Systems

Einfache Switches

Arbeiten ausschließlich auf der Schicht 2 (Sicherungsschicht) des OSI-Modells
Der Switch verarbeitet bei Erhalt eines Frames die 48 Bit lange MAC-Adresse (z. B. 08:00:20:ae:fd:7e) und legt dazu einen Eintrag in der Source-Address-Table (SAT) an, in der neben der MAC-Adresse auch der physische Port (Anschlussbuchse), an dem diese empfangen wurde, gespeichert wird
Im Unterschied zum Hub werden Frames anschließend nur noch an den Port weitergeleitet, der für die entsprechende Zieladresse in der SAT gelistet ist
Ist der Weg zur Zieladresse noch unbekannt (Lernphase), leitet der Switch das betreffende Frame an alle anderen aktiven Ports

Unterschied zwischen Bridge und Switch

Anzahl der Ports

Bridges haben typischerweise nur zwei Ports, selten drei oder mehr
Switches hingegen haben als Einzelgeräte etwa 5 bis 50 Ports, modulare Switches auch mehrere Hundert
Von SOHO- über große Gebäudeinstallationen bis zu Rechenzentren ändern sich die Gehäuse fließend
Größere Geräte haben überwiegend Metallgehäuse und sind mit Montagewinkeln für den Einbau in 10″- oder 19″-Racks ausgestattet
Alle Ports sollten unabhängig voneinander gleichzeitig senden und empfangen können (non-blocking)
Ein anderer möglicher Unterschied zu Bridges ist, dass manche Switch-Typen die Cut-Through-Technik und andere Erweiterungen (s. u.) beherrschen
So verringert sich die Latenz, also die Verzögerung vom Absenden einer Anfrage und dem Eintreffen der Antwort darauf
Switches können auch mit Broadcasts umgehen; diese werden an alle Ports weitergeleitet
Bis auf wenige Ausnahmen gilt: Ein Switch ist eine Bridge, aber nicht jede Bridge ist ein Switch
Eine Ausnahme bilden Bridges, die verschiedene Protokolle wie Token Ring und Ethernet (MAC-Bridge oder LLC-Bridge) verbinden können
Eine solche Funktionalität ist bei Switches nicht anzutreffen

Für die angeschlossenen Geräte verhält sich ein Switch weitgehend transparent

Wenn die Kommunikation überwiegend zwischen den Geräten innerhalb eines Segments stattfindet, wird durch den Einsatz eines Switches die Anzahl der kursierenden Frames in den übrigen Segmenten drastisch reduziert
Muss ein Switch allerdings Frames in andere Segmente weiterleiten, führt sein Einsatz eher zu einer Verzögerung der Kommunikation (Latenz)
Bei Überlastung eines Segments oder zu wenig Pufferspeicher im Switch kann es zum Verwerfen von Frames kommen
Dies muss durch Protokolle höherer Schichten wie TCP ausgeglichen werden

Layer-2- und Layer-3-Switches

Man unterscheidet zwischen Layer-2- und Layer-3- bzw

höheren Switches
Layer-2-Geräte sind häufig einfachere Modelle
Kleinere Geräte verfügen oft nur über grundsätzliche Funktionen und beherrschen meist keine Management-Funktionen (sind allerdings Plug-and-Play-fähig), oder nur mit einem geringen Funktionsumfang wie Portsperren oder Statistiken
Professionelle Layer-3- bzw
höhere Switches verfügen in der Regel auch über Management-Funktionen; neben den grundlegenden Switch-Funktionen verfügen sie zusätzlich über Steuer- und Überwachungsfunktionen, die auch auf Informationen aus höheren Schichten als Layer 2 beruhen können, wie z. B. IP-Filterung, Priorisierung für Quality of Service, Routing
Im Unterschied zu einem Router erfolgt bei einem Layer-3-Switch die Weiterleitungsentscheidung in der Hardware und somit schneller bzw
mit geringerer Latenz
Der Funktionsumfang von Layer-4-Switches und höher unterscheidet sich stark von Hersteller zu Hersteller, üblicherweise werden aber solche Funktionen in Hardware abgebildet wie Network Address Translation/Port Address Translation und Load Balancing

Top of Rack Switch (ToR)

In Rechenzentrumsnetzwerken mit viel Datenverkehr, werden häufig pro Serverrack einer oder mehrere Switches zur Unterverteilung im Rack genutzt

Diese bezeichnet man als "Top of Rack Switch", sie sind im Normalfall oben im Rack verbaut
Besonders häufig Verwendung finden diese ToRs in der Spine-Leaf-Architektur, können aber auch in einem klassischen Sternnetzwerk verbaut werden

Ziel dieses Konzepts ist es, den Verkabelungsaufwand zwischen vielen Servern und Netzwerksystemen zu minimieren, die in größeren Rechenzentren mehrere zehntausend Systeme umfassen können

Seit SFF-8431 für IEEE_802.3ae sind "Direct-Attach Copper" (DAC) zur Rack-Verkabelung üblich
Die DACs haben typischerweise eine Länge von 2 m bis 7 m und sind passive Kupferkabel, die ohne ggf
fehleranfällige Laser oder Glasfaser auskommen
Die ToRs aggregieren den Datenverkehr der angeschlossenen Server und transportieren ihn dann gesammelt via Lichtwellenleiter zum Core-Netzwerk.

Management

Die Konfiguration oder Steuerung eines Switches mit Management-Funktionen geschieht je nach Hersteller über eine Kommandozeile (über Telnet oder SSH), eine Weboberfläche, eine spezielle Steuerungssoftware oder über eine Kombination dieser Möglichkeiten

Bei den aktuellen, „non-managed“ (Plug-and-Play-)Switches beherrschen manche höherwertige Geräte ebenfalls Funktionen wie tagged VLAN oder Priorisierung und verzichten dennoch auf eine Konsole oder ein sonstiges Management-Interface

Kenngrößen

Option	Beschreibung
Forwarding Rate (Durchleitrate)	gibt an, wie viele Frames pro Sekunde eingelesen, bearbeitet und weitergeleitet werden können
Filter Rate (Filterrate)	Anzahl der Frames, die pro Sekunde bearbeitet werden
Anzahl der verwaltbaren MAC-Adressen	Aufbau und max Größe der Source-Address-Table
Backplanedurchsatz (Switching fabric)	Kapazität der Busse (auch Crossbar) innerhalb des Switches
VLAN-Fähigkeit oder Flusskontrolle	Managementoptionen wie Fehlerüberwachung und -signalisierung Port-basierte VLANs Tagged-VLANs VLAN Uplinks Link Aggregation Meshing Spanning Tree Protocol (Spannbaumbildung) Bandbreitenmanagement usw

Vergleich mit repeating Hubs

Vorteile

Wenn zwei Netzteilnehmer gleichzeitig senden, gibt es keine Datenkollision (vgl. CSMA/CD), da der Switch intern über die Backplane beide Sendungen gleichzeitig übermitteln kann
Sollten an einem Port die Daten schneller ankommen, als sie über das Netz weitergesendet werden können, werden die Daten gepuffert
Wenn möglich wird Flow Control benutzt, um den oder die Sender zu einem langsameren Verschicken der Daten aufzufordern
Hat man acht Rechner über einen 8-Port-Switch verbunden und jeweils zwei senden untereinander mit voller Geschwindigkeit Daten, sodass vier Full-Duplex-Verbindungen zustande kommen, so hat man rechnerisch die achtfache Geschwindigkeit eines entsprechenden Hubs, bei dem sich alle Geräte die maximale Bandbreite teilen
Nämlich 4 × 200 Mbit/s im Gegensatz zu 100 Mbit/s
Zwei Aspekte sprechen jedoch gegen diese Rechnung: Zum einen sind die internen Prozessoren besonders im Low-Cost-Segment nicht immer darauf ausgelegt, alle Ports mit voller Geschwindigkeit zu bedienen, zum anderen wird auch ein Hub mit mehreren Rechnern nie 100 Mbit/s erreichen, da desto mehr Kollisionen entstehen, je mehr das Netz ausgelastet ist, was die nutzbare Bandbreite wiederum drosselt
Je nach Hersteller und Modell liegen die tatsächlich erzielbaren Durchsatzraten mehr oder minder deutlich unter den theoretisch erzielbaren 100 %, bei preiswerten Geräten sind Datenraten zwischen 60 % und 90 % durchaus üblich
Der Switch zeichnet in einer Tabelle auf, welche Station über welchen Port erreicht werden kann
Hierzu werden im laufenden Betrieb die Absender-MAC-Adressen der durchgeleiteten Frames gespeichert
So werden Daten nur an den Port weitergeleitet, an dem sich tatsächlich der Empfänger befindet, wodurch Spionage durch Nutzung des Promiscuous Mode der Netzwerkkarte verhindert wird, wie sie bei Netzwerken mit Hubs noch möglich war
Frames mit (noch) unbekannter Ziel-MAC-Adresse werden wie Broadcasts behandelt und an alle Ports mit Ausnahme des Quellports weitergeleitet
Der Voll-Duplex-Modus kann benutzt werden, so dass an einem Port gleichzeitig Daten gesendet und empfangen werden können, wodurch die Übertragungsrate verdoppelt wird
Da in diesem Fall Kollisionen nicht mehr möglich sind, wird die physisch mögliche Übertragungsrate besser ausgenutzt
An jedem Port kann unabhängig die Geschwindigkeit und der Duplex-Modus ausgehandelt werden
Zwei oder mehr physische Ports können zu einem logischen Port (HP: Bündelung, Cisco: Etherchannel) zusammengefasst werden, um die Bandbreite zu steigern; dies kann über statische oder dynamische Verfahren (z. B. LACP oder PAgP) erfolgen
Ein physischer Switch kann durch VLANs in mehrere logische Switches unterteilt werden
VLANs können über mehrere Switches hinweg aufgespannt werden (IEEE 802.1Q)

Nachteile

Ein Nachteil von Switches ist, dass sich die Fehlersuche in einem solchen Netz unter Umständen schwieriger gestaltet
Frames sind nicht mehr auf allen Strängen im Netz sichtbar, sondern im Idealfall nur auf denjenigen, die tatsächlich zum Ziel führen
Um dem Administrator trotzdem die Beobachtung von Netzwerkverkehr zu ermöglichen, beherrschen manche Switches Port-Mirroring
Der Administrator teilt dem (verwaltbaren) Switch mit, welche Ports er beobachten möchte
Der Switch schickt dann Kopien von Frames der beobachteten Ports an einen dafür ausgewählten Port, wo sie z. B. von einem Sniffer aufgezeichnet werden können
Um das Port-Mirroring zu standardisieren, wurde das SMON-Protokoll entwickelt, das in RFC 2613 beschrieben ist
Ein weiterer Nachteil liegt in der Latenzzeit, die bei Switches höher ist (100BaseTX: 5–20 µs) als bei Hubs (100BaseTX: < 0,7 µs)
Da es beim CSMA-Verfahren sowieso keine garantierten Zugriffszeiten gibt und es sich um Unterschiede im Millionstelsekundenbereich handelt, hat dies in der Praxis selten Bedeutung
Wo bei einem Hub ein einkommendes Signal einfach an alle Netzteilnehmer weitergeleitet wird, muss der Switch erst anhand seiner MAC-Adresstabelle den richtigen Ausgangsport finden; dies spart zwar Bandbreite, kostet aber Zeit
Dennoch ist in der Praxis der Switch im Vorteil, da die absoluten Latenzzeiten in einem ungeswitchten Netz aufgrund der unvermeidbaren Kollisionen eines bereits gering ausgelasteten Netzes die Latenzzeit eines vollduplexfähigen (fast kollisionslosen) Switches leicht übersteigen. (Die höchste Geschwindigkeit erzielt man weder mit Hubs noch mit Switches, sondern indem man gekreuzte Kabel einsetzt, um zwei Netzwerk-Endgeräte direkt miteinander zu verbinden
Dieses Verfahren beschränkt jedoch, bei Rechnern mit je einer Netzwerkkarte, die Anzahl der Netzwerkteilnehmer auf 2.)
Switches sind Sternverteiler mit einer sternförmigen Netzwerktopologie und bringen bei Ethernet (ohne Portbündelung, STP oder Meshing) keine Redundanzen mit
Fällt ein Switch aus, ist die Kommunikation zwischen allen Teilnehmern im (Sub-)Netz unterbrochen
Der Switch ist dann der Single Point of Failure
Abhilfe schafft die Portbündelung (FailOver), bei der jeder Rechner über mindestens zwei LAN-Karten verfügt und an zwei Switches angeschlossen ist
Zur Portbündelung mit FailOver benötigt man allerdings LAN-Karten und Switches mit entsprechender Software (Firmware)